Für die Informationsübertragung in Weitverkehrs- und Metro-Netzen, für Data Center Connects und ähnliche datenintensive Szenarien nutzt man heute fast ausschließlich die optische Übertragungstechnik über Single-Mode-Glasfasern. Lediglich in der Zugangstechnik – auch „letzte Meile“ genannt – konkurrieren drei physikalische Medien: Kupfer wurde erstmals in den 1820ern für Telegrafen verwendet und ist noch immer das am weitesten verbreitete kabelgebundene Medium im Zugangsbereich. Zweitens steht als Medium die Luft zur Verfügung, und die Vernetzung mittels Funkwellen ist aktuell die am schnellsten wachsende Vernetzungstechnik. Schließlich gibt es als dritten Verbreitungsweg die Glasfasertechnik, die in der Weitverkehrstechnik der Stand der Technik ist und die wegen der sonst vorhandenen Kupferzugangskabel nur bei Neubaugebieten eingesetzt wird. Beim Netzzugang unterscheidet man grundsätzlich noch zwischen der Glasfaser bis in die Wohnung („Fiber to the Home“) oder in den Netzanschlusskasten in der Straße oder im Keller eines Mehrfamilien-/Hochhauses („Fiber to the Curb“).
Glasfaser oder Kupfer?
Der Glasfaserkern ist nicht dicker als ein menschliches Haar und kann Lichtimpulse und damit Informationen um ein vielfaches kosteneffizienter übertragen. Bei der Entscheidung für Kupfer oder Glasfaser in der Zugangstechnik ist es also wichtig, die Kosten, die erwartete Informationsmenge und die möglichen Energieeinsparungen abzuwägen. Technische Innovationen ermöglichen nun, dass Glasfaser immer häufiger auch für lokale Anwendungen genutzt wird, etwa für die schnelle Internetanbindung von Haushalten, als optische LAN-Verbindungen in Firmen oder bei der Vernetzung von Rechenzentren.
Glasfasern sind lange Stränge aus Glasfäden. Sie übertragen Licht über große Entfernungen mithilfe von Lasern, die Lichtimpulse durch das Glas schicken. Jeder Impuls ist entweder eine „Null“ oder eine „Eins“, also binäre Datenbits. Dafür musste man zunächst technische Hürden lösen, darunter die Signalabschwächung, die durch Rauschen oder Unvollkommenheiten im Glas entsteht. Als das Unternehmen Corning Glass das Problem 1975 lösen konnte, war das auch die Geburtsstunde der Glasfaserkommunikation. So konnten die ersten optischen Netze ab Ende der 1970er Jahre kommerziell für die Datenübertragung (damals primär Telefonie) genutzt werden. Ursprünglich wurde nur eine Lichtfarbe auf einer Glasfaser gesendet. Doch in den 1980er Jahren fanden Forscher u. a. bei den Nokia Bell Labs eine Möglichkeit, mehrere Lichtfarben durch dieselbe Glasfaser zu senden (Wellenmultiplexing, WDM). So konnte eine einzige Glasfaser statt eines Kanals mit einer Farbe gleich mehrere Kanäle übertragen. Spätere Entwicklungen wie Dense WDM (DWDM) konnten die Informationskapazität einer einzelnen Faser gar um ein Vielfaches erhöhen.
Neben den Glasfasern selbst sind die Techniken der Sender und Empfänger von entscheidender Bedeutung, um die Datenkapazität weiter zu steigern. Je nach Anwendungsgebiet und erforderlicher Übertragungsrate kommen unterschiedliche Techniken der Sender und Empfänger zum Einsatz. Forscher waren über die Jahre zum Beispiel in der Lage, durch so genannte kohärente Übertragungstechniken die Geschwindigkeit enorm zu steigern. Auch hier spielten die Nokia Bell Labs eine wichtige Rolle. Durch die Kombination von digitalen Signalprozessoren und so genannten Phasenmodulationstechniken bei optischen Signalen (die auch in Mobilfunknetzen üblich sind) hat die Technik seit ihrer Einführung vor einem Jahrzehnt eine 100-fache Steigerung der Datenrate ermöglicht.
Wie bringen steckbare digitale kohärente Optiken (DCO) Licht an den Netzrand (Edge)?
Mit dem Fortschritt bei den optischen Übertragungstechniken konnten Forscher auch die Komponenten, die das Licht übertragen, wie z. B. Laser und Detektoren, so stark verkleinern, dass sie in kleine, stromsparende und steckbare („pluggable“) Gehäuse passen. So kann man alle benötigten optoelektronischen Geräte als ein einziges Modul in eine optische Schnittstelle in einen Router oder Switch stecken. Das hat den Vorteil, dass man bei einem Ausfall einfach das optische Modul austauschen kann und nicht die komplette Übertragungseinheit. Im Netz werden diese neuen steckbaren, kohärenten Transceiver aktuell für Router-Schnittstellen mit Geschwindigkeiten von bis zu 400 Gbit/s eingesetzt und werden bald noch höhere Geschwindigkeiten erreichen. Die Coherent-Routing-Lösung von Nokia beispielsweise verwendet steckbare kohärente Transceiver in ihren Hochgeschwindigkeitsroutern, um eine direkte Router-zu-Router-Verbindung zwischen Rechenzentren zu ermöglichen.
Wie die Zukunft aussieht
Die neueste Glasfasertechnik arbeitet heute bis zu einem Dezibel (dB) unter der so genannten Shannon-Grenze. Sie wurde ursprünglich von Claude Shannon von den Bell Labs beschrieben als die maximale Rate an fehlerfreien Daten, die ein Kanal übertragen kann. Um diese physikalischen Grenzen zu überwinden, braucht es viele weitere Innovationen, damit die Glasfasertechnik die wachsenden Anforderungen erfüllen kann. Die Forschung in diesem Bereich reicht von Hohlkern-Fasern bis hin zum Einsatz von maschinellem Lernen zur Verbesserung der Signalverarbeitung.